摘? 要: 給出了以AVR微控制器" title="微控制器">微控制器為核心的電力機車" title="電力機車">電力機車智能輔保系統的設計方案,并介紹了系統硬件及軟件的具體實現方法。
關鍵詞: 智能輔保系統? AVR微控制器? 硬件? 軟件
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電氣機車輔助系統中有劈相機、空氣壓縮機、通風機及制動風機等各種類型的電機。運行中為了防止出現短路、過流" title="過流">過流等異常情況而燒毀電機,通常配置輔助保護系統,起到及時監測電機故障并加以處理的作用。目前電力機車上安裝的輔保系統都是模擬電路裝置,系統硬件復雜,又不方便司機使用和維修。因此,設計一種實時性高、性能可靠的智能輔保系統替代原有的模擬電路裝置勢在必行。本文將介紹筆者開發的用于韶山型電力機車的智能輔助保護系統的設計及實現。
1 系統的主要功能與設計思想
1.1 系統的主要功能
(1)輔機保護功能,即在機車運行過程中,對輔助系統內的各電機出現的短路故障能及時給出故障狀態顯示,在規定的持續時間內,故障若不消失,對該電機能夠實現二次保護控制。
(2)機車輔助系統內的各電機若出現了過流或單相故障,能及時給出相應故障狀態顯示。在規定的過流或單相故障持續時間內,檢測其故障是否消失,如果故障一直未消失,對該電機進行一次保護控制。
(3)在對電機一次保護后的規定時間內,若電機故障仍然未消除,則立即控制主接觸器" title="接觸器">接觸器斷開,實現對該電機的二次保護控制。
(4)輔助系統的劈相電機出現啟動電阻甩不開的故障時,能夠控制主接觸器斷開,以實現對該電機的二次保護。
(5)在啟動輔助系統各電機之前,能夠進行檢查系統狀態顯示、輸出控制等功能的實驗,確保系統硬件電路的安全性及可靠性。
(6)對輔助系統各電機進行實時故障檢測的各故障持續的延時時間可以根據實際情況進行相應調整,但不影響系統功能。
1.2 系統的設計思想
以高檔微控制器為核心構成智能化輔保系統,符合電力機車發展的方向,既可充分發揮軟件的功能,又能簡化硬件構成,無論在功能上還是在可靠性及安全性上,都可完全替代目前廣泛使用的模擬電路輔保裝置。
1.2.1 系統的微控制器芯片AT90S8535
美國ATMEL公司推出的90系列單片機是增強RISC內載Flash的高性能八位單片機，通稱為AVR 單片機[1～2],設計上采用低功耗CMOS技術,而且在軟件上有效支持C高級語言(用IAR系統的ICC90C編譯器編譯)及匯編語言(用AVR匯編器編譯)。
其中,AT90S8535是功能較強的一種型號,它有40引腳PDIP和44引腳PLCC、TQFP等多種封裝形式,具有以下主要特征:
(1)其片內帶有一個8通道的A/D" title="A/D">A/D轉換器及一個模擬比較器。
(2)兩個帶預分頻及比較模式的8位定時器/計數器T/C0、T/C1;一個16位的帶預分頻及比較模式、捕獲模式及雙工8位、9位或10位的PWM輸出的定時器/計數器T/C1;而且定時器/計數器T/C2可作為帶單獨晶振的RTC使用。
(3)32條通用I/O線及32個通用8位寄存器R0~R31,64個I/O專用寄存器。
(4)片內有8K字節可下載的Flash存儲器,程序下載采用其SPI串行接口,使用壽命為1000次。
(5)有512字節的EEPROM(使用壽命為10萬次)及512字節的內部SRAM。
(6)帶片內晶振器的可編程看門狗定時器;并有三種可通過軟件選擇的電源節電模式:閑置模式、掉電模式及省電模式。
(7)供電電壓VCC為4.0～6.0V,可以全靜態工作,范圍為0~8MHz；具有118條功能強大的指令,大多數執行時間為單時鐘周期,指令周期最短僅為125ns。
(8)提供16種不同的內、外中斷源(其中有兩個外部中斷源)。
(9)可編程的全雙工串行通信接口UART及同步串行接口SPI。
以AT90S8535嵌入式高效微控制器構成智能化輔保系統的主控制電路,無需外擴多通道A/D轉換器及程序存儲器、數據存儲器,大大簡化了系統的硬件。尤其是其內部又有硬件看門狗電路及相應的看門狗指令控制,提高了系統的可靠性及安全性,選型相對以往的AT89系列單片機,在性能上要強得多,而且開發手段更方便。
1.2.2 AT90S8535的ADC的主要特性和工作原理
AT90S8535的優越性在于其片內有一個8通道的10位ADC,ADC與一個模擬多路轉換器相連,還包含一個采樣保持器。該器件的A口的每一引腳(PA0~PA7)均可作為ADC的模擬輸入端,A口不用作模擬輸入的個別引腳又可作為數字輸入使用。
ADC有兩個單獨的模擬供電引腳AVCC和AGND。使用時,AGND和GND必須相連,AVCC與VCC的電壓必須保持±0.3V的不同,并通過RC網絡相連。外部參考基準電壓通過AREF引腳加入。
ADC通過內部預分頻器ADCPS保證將系統時鐘頻率轉化為50~200kHz之間的ADC可接受的時鐘頻率。ADC一般至少需要13個時鐘周期完成一次轉換,因此轉換時間范圍為65～260μs。ADC為用戶提供了內部中斷方式的處理,可以滿足實時性的要求。每次轉換完成時,ADC轉換器完成中斷就可以被激活。
ADC還有一個噪音清除器,通過正確使用,確保在閑置模式轉換過程中減少包括從CPU核中出來的噪音。
ADC被使能后,可以選擇單一轉換和自由運行兩種模式之一工作。在單一轉換模式下,每次轉換由用戶觸發;在自由運行模式下,ADC連續取樣,并更新ADC的數據寄存器。建議用戶使用單一轉換模式。ADC產生的10位結果保存在數據寄存器ADCL和ADCH中,其內部特殊數據保護邏輯要求讀取數據時,先讀ADCL,后讀ADCH。
1.3 系統監測對象
本系統完成的監測對象主要有:(1)劈相機三相信號;(2)通風機電機三相信號;(3)制動風機電機三相信號;(4)各種電機接觸器信號。系統通過輸入電路完成對這些信號的調理,向系統主控制電路提供6路模擬量輸入及5路數字開關量輸入,還提供5路條件標志。
經實驗可知,當檢測到各路電機對應的模擬量輸入電壓在0.69V～4.5V之間時,可認為電機發生了過流故障,而且規定的過流故障持續的時間隨輸入電壓范圍不同又分為多個不同區段,軟件應保證按不同的時間區段對電機進行一次保護;輸入電壓若在4.5V以上,可認為電機發生了短路故障,在0.5秒的持續時間內,故障一直未消除,則對電機立即實施二次保護控制,防止電機被燒毀;5路數字開關量通道的某路輸入出現高電平時,則認為該路電機發生了單相故障,在3秒故障持續時間內故障一直不消失,對電機實施一次保護控制。無論單相還是過流故障,在對電機一次保護后的0.5秒持續時間內故障仍未消除,則實施二次保護控制。通過上述手段,能起到監測電力機車輔助系統中的各電機是否正常工作、當出現故障時及時發現并對電機加以保護的作用。
2 系統的硬件和軟件設計
2.1 系統的硬件設計
系統主要由輸入調理電路、控制輸出部分及顯示電路、系統主控制電路組成。輸入信號的調理電路為系統主電路提供多路模擬量及數字開關量輸入通道,設計中主要考慮了信號與現場的隔離和抗干擾。輸出電路完成對各電機接觸器及主接觸器的控制,即能對出現故障的電機實現一次保護或二次保護,并提供各通道電機故障的顯示,確保電機的安全。
圖1給出了系統的主電路組成圖。圖中所示的各路信號分別表示輸出通道、故障顯示通道、開關數字量輸入通道及條件標志輸入通道。
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2.2 系統的軟件設計
系統軟件采取模塊化結構,系統各任務模塊在功能上應盡量保持獨立。將各任務模塊放在時鐘中斷服務程序中執行,就可將系統各監測任務所需的各不相同的眾多故障持續延時時間轉化為執行頻率。
2.2.1 數據采集程序的設計
以通道0為例,系統利用其片內10位ADC進行模擬量采集的軟件初始化程序段如下:
.include “8535def.inc”
.def count=r14
.def flag=r15?
.def result=r16?
.def temp=r17?
.def ac_temp=r18?
INIT： ldi AL，low(RAMEND)???????????????
out SPL，AL???????????????????????
ldi AL，high(RAMEND)???????????????
out SPH，AL ?????????? ;初始化堆棧指針
ldi count，3? ?????????? ;設置采集點數
clr flag?? ??????????????? ;清采集標志
ldi ZL，＄65
clr ZH???????????????????? ;設置外部SRAM數據緩沖區首址為＄0065H
? ldi result，＄8d
? out ADCSR，result??? ;設置ADEN=1，ADSC=0，ADFR=0，ADIF=0，ADIE=0
;設置ADPS2=1，ADPS1=0，ADPS0=0
;使ADC預分頻器選擇分頻系數為16，設置ADC時鐘頻率為115kHz
sbi ADCSR，ADIE?? ? ;ADC 中斷使能
ldi? temp，＄00???????????? ;選擇PA0(模擬通道1)
????out? ADMUX，temp??????
? sbi? ADCSR，ADSC?????????? ;啟動ADC轉換
中斷采集程序段如下:
ACONVERT： ???? inac_temp，SREG? ;臨時保存狀態寄存器
? ?? ??????? in BL，ADCL
??????????????????? in BH，ADCH
??????????????????? andi? BH，＄03
??????????????????? st Z+，BL??????????? ;保存到數據緩沖區
??????????????????? st Z+，BH
??????????????????? dec count??????????? ;采集點數到否?
??????????????????? breq? ADC_a
??????????????????? sbi ADCSR，ADSC?????? ;啟動下一次A/D轉換?
rjmp? XX
ADC_a： ????? ldi flag，＄aa???????? ;置采集結束標志
XX： ??? out SREG，ac_temp???? ;恢復狀態寄存器
????? ????????????? reti???
對A/D通道采集的模擬量數據采用防脈沖干擾的中值濾波法。
2.2.2 系統軟件的總體設計及實現
為了確保系統的實時性,系統的監測掃描時間片設為100ms。在SRAM區設置標志及內部軟件計時器單元,通過設定各路計時單元及計時啟動/結束標志,來解決出現短路、過流及單相故障的電機所需的各不同故障持續延時時間,對電機在不同過流范圍區段的不同故障持續延時時間也可正確區分并記錄。這樣系統就不會因某一任務的延時而影響對系統其它任務的檢測,實現了對各路電機監測的實時多任務處理。另外注意,對于與執行頻率無關的模塊則可放在主程序中執行。
圖2、圖3給出了T/C1定時中斷服務程序模塊及主程序模塊的流程框圖。
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該智能輔保系統樣機經過現場調試,目前已投入運營。實踐證明,系統穩定可靠,效果良好。
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參考文獻
1 AVR 8-Bit RISC—Data Sheets.ATMEL Corporation[M].1997
2 AVR Enhanced Risc Microcontroller Data Book[M]，1997